乳酸菌用于餐厨垃圾抑菌保存的机理及对其乙醇发酵的影响研究

本研究为解决乙醇发酵过程中的原料和能耗问题，深入探讨使用餐厨垃圾为原料，接种具有广谱抑菌效能的乳酸菌进行抑菌保存，转化残余乳酸为丙酮酸，驯化乳酸耐受酵母进行同步糖化发酵产乙醇工艺中的几个关键性技术及科学问题。通过选择富含乳酸菌的发酵残渣及泡菜等原料，获得具有广谱抑菌效果的乳酸菌，研究接种频率、接种用量、保存时间等条件实现餐厨垃圾的防腐和抑菌，明确抑菌的机理；利用乳酸氧化酶转化积累的乳酸为丙酮酸，进而生成乙醇，减少碳源向乳酸代谢方向转化；接种乳酸耐受酵母，优化乙醇发酵条件，确定乳酸菌和酵母相互影响关系；明确上述乳酸抑菌-丙酮酸转化-餐厨垃圾乙醇发酵这一复杂反应过程中微生物的变化规律和相应的调控方法，构建良好的废物－资源－能源的循环利用系统，以降低乙醇生产成本，最大限度地实现餐厨垃圾的减量化、资源化及能源化，为实现该项目的产业化提供可靠的理论依据和翔实的实验数据。

本研究探讨了接种乳酸菌对餐厨垃圾保存和乙醇发酵的影响，优化了乳酸菌株的接种量和接种时间，确定了接种量为0.5%，接种时间为两天，由于乳酸代谢和乙醇代谢均存在丙酮酸的关键节点，采用了乳酸氧化酶进行餐厨垃圾中抑菌的乳酸转化丙酮酸进而生成乙醇。利用海藻酸钙成功固定了乳酸氧化酶，所得的酶活为67.8 U/g，酶活力回收率为35.9 %。其最佳催化pH为6.2，最适温度为55℃。优化了最佳的糖化时间为6小时，固定化乳酸氧化酶对餐厨垃圾中的残留乳酸的转化率达到了70%，在随后的乙醇发酵中可以发现，进行乳酸氧化酶转化的操作比未开展转化的乙醇浓度要提高17%以上。. 为了分析整个反应过程的微生物演替规律，选择了餐厨垃圾初始、餐厨垃圾接种乳酸抑菌后、糖化处理后、加入氧化酶转化后、以及开展乙醇发酵后，对样品中的微生物群落开展了DGGE的分析。结果表明随着乳酸菌的接入，逐渐成为了优势菌株，也进一步证明了乳酸菌可以有效的抑制杂菌的污染。. 为了有效的分离乙醇，开展了渗透汽化膜乙醇分离的研究。建立了餐厨垃圾乙醇发酵的渗透汽化体系，对反应器的优化和膜通量进行了初步研究，完善了混凝联合过滤的手段对发酵液进行预处理，从而减少对渗透汽化的影响。对发酵残渣开展了与煤掺烧的初步研究，依靠TG和DSC等热力学分析手段，完善了燃烧的动力学参数，并建立了动力学模型。特别是针对掺烧过程中的气态污染物和残渣中的有毒有害物质进行了分析。结果表明以褐煤和餐厨垃圾乙醇发酵残渣进行混合掺烧，具有较好的燃烧性质，其综合燃烧指数较高。且掺烧后的气态污染物HCl, SO2比未经掺烧的降低较多，同时焚烧残渣的分析结果表明，有害元素被固定，降低了环境风险。. 筛选了丝瓜络作为载体进行固定化餐厨垃圾乙醇发酵，开展了低浓度和浓缩糖化液的高浓度发酵，固定化酵母批次循环发酵还原糖浓度在100 g/l左右的低浓度6个批次的发酵中，乙醇浓度最高为37.81 g/l，固定化发酵的平均乙醇转化率比游离态发酵平均转化率高5.7%，在还原糖浓度为300 g/l左右的高浓度餐厨垃圾糖化液6批次发酵过程中，乙醇浓度最高为111.1 g/l，糖利用率保持在90%以上。固定化发酵在高浓度餐厨垃圾底物发酵过程中，对底物的抑制作用具有较好的耐受性，相对游离态发酵具有明显优势。

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